JP2001208625A - 状態応答センサのレンジ内故障検出方法及び装置 - Google Patents

状態応答センサのレンジ内故障検出方法及び装置

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JP2001208625A
JP2001208625A JP2000385537A JP2000385537A JP2001208625A JP 2001208625 A JP2001208625 A JP 2001208625A JP 2000385537 A JP2000385537 A JP 2000385537A JP 2000385537 A JP2000385537 A JP 2000385537A JP 2001208625 A JP2001208625 A JP 2001208625A
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Keith W Kawate
ダブリュ、カワテ ケイス
David L Corkum
エル、コーカム デビッド
Thomas R Maher
アール、マハー トマス
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホイートストン・ブリッジ出力におけるレン
ジ内故障の発生を簡単かつコスト効果的に検出する方法
及び回路を提供する。 【解決手段】 第1の回路部(13)がピエゾ抵抗素子
(R1〜R4)によるホイートストン・ブリッジ素子
(12)のブリッジ出力からコモン・モード電圧
(VCM)を発生し、第2及び第3の回路部(14、1
5)がブリッジ電圧(VBRG)からセンサ校正時のコモ
ン・モード電圧に等しいセンタリング電圧(C
*BRG)、及び窓電圧(W*BRG)を発生する。一対の
加算回路(SUM1、2)によりブリッジ出力の有効範
囲(C*BRG−W*BRG〜C*BRG+W*BRG)を設定
し、比較器(Q1〜Q3)により前記コモン・モード電
圧(VCM)と比較して有効範囲外が検出されれば警告を
発生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、ピエゾ抵
抗素子を備えたブリッジ回路のようなフル・ブリッジ回
路を有する状態応答センサに関し、特にフル・スケール
出力信号より小さい可能性のあるセンサのオフセット又
は感度における誤差を検出可能にする故障検出を提供す
る装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ブリッジ回路のセンサは、圧力の変化又
は加速度の変化のように、或る状態における変化を検知
するために広く使用されている。一般的なブリッジ回路
のセンサは、シリコンのような基板上にマウントされた
複数のピエゾ抵抗素子を備えているので、検知した状態
における変化がいくつかのピエゾ抵抗素子に誘導されて
いる応力(ストレス)に変化を発生させて、検知状態に
おける変化の関数となるブリッジ出力を得ている。典型
的な使用には、例えば、自動車ブレーキング・システム
に使用する加速度センサ、及び自動車燃料注入システム
に使用する圧力センサが含まれる。多くの応用におい
て、センサに関連するコストを最小化すると同時に、レ
ンジ内(イン−レンジ)センサ誤出力になり得るセンサ
欠陥の検出を可能にする絶え間のない要請がある。シス
テムの信頼性を高めるために複数の冗長センサを使用す
ることが知られている。しかしながら、これは、システ
ムのコストを高くする。センサ誤動作の際にユーザに警
報を出す単一センサ・システムを提供することが望まれ
ている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】1999年1月14日
PCT出願、国際公開番号WO99/01777におい
て、フル・ホイートストン・ピエゾ抵抗センサ・ブリッ
ジ回路の機能を監視する回路が開示されている。比較さ
れる信号が受け入れ可能量を超えてずれると、窓比較器
が警報信号を出力する。開示された回路は、ASICに
対する接続性と共に、ブリッジ抵抗をある程度まで監視
する。しかしながら、前述の従来技術は、複雑であり、
かつその実施サイズのために比較的高価である。前述の
従来技術による解決方法は、正確に調整され、かつ時間
及び温度について安定でなければならないという個別的
な2つの調節回路を必要とする。
【0004】
【発明を解決するための手段】本発明の目的は、以上で
言及した従来技術より簡単、かつよりコスト効果的にブ
リッジ回路センサにおける故障を検出する方法及び回路
を提供することである。本発明の更に他の目的は、故障
がフル・ブリッジ・センサに発生すれば直ちに警報を発
生するレンジ内故障の保護システムを提供することであ
る。更に本発明の他の発明は、信頼性があり、しかも低
コストの集積回路形式により製作するのに適したフル・
ホイートストン・ピエゾ抵抗ブリッジ形式センサ用のレ
ンジ内故障の保護システムを提供することである。更に
本発明の他の発明は、例えば容量性素子を含むブリッジ
のような他のフル・ブリッジ構成に使用可能とするシス
テムを提供することである。
【0005】要するに、本発明による故障検出システム
は、付勢されたフル・ホイートストン・ブリッジの複数
出力に接続されてセンサ校正中に複数のブリッジ出力の
コモン・モード電圧を発生し、次いでこれを電圧窓と比
較して通常の動作中における故障状態を判断する手段を
得る回路を備える。フル・ブリッジ出力のコモン・モー
ド電圧は、フル・ブリッジに印加される刺激に対して不
感知(インセンシティブ)であり、かつ2つのブリッジ
出力間の電圧レンジ内にある、複数のブリッジ出力電圧
の線形な1組み合わせに等しい電圧として定義される。
コモン・モード電圧及び故障窓を得るための複数の回路
パラメータは、適当に調整され、かつ不揮発性メモリに
記憶される。
【0006】レンジ内の故障検出を行う本発明のセンサ
及び方法の他の目的、効果及び詳細は、本発明の好まし
い実施例についての下記の詳細な説明に示されており、
詳細な説明は下記の図面を参照する。
【0007】
【発明の実施の形態】図1を参照すると、本発明の好ま
しい実施例に従った作成されたピエゾ抵抗のセンサ素子
12と共に、ピエゾ抵抗センサ・コンディショナ特定用
途向け集積回路(ASIC)10が示されている。AS
IC10は、センサ素子12のオフ・チップ・ピエゾ抵
抗における小さな変化をASIC電源・比率出力電圧に
おける大きな変化に変換する。4つのピエゾ抵抗R1〜
R4は、外部に接続されているセンサ素子12内でフル
・ホイートストン・ブリッジに配列されている。ピエゾ
抵抗R1〜R4の値は、燃料注入システムのような自動
車アンダー・フード応用を含む、種々の応用装置で使用
される圧力のような機械的な刺激の印加に応答して変動
する。ASIC10は、センサ素子12の各ノードに接
続され、続いてセンサ素子12のピエゾ抵抗R1〜R4
に接続されるノードBRG、INP、INMと共に、電
源及びセンサ出力の外部接続用のノードPWR、OUT
及びRTNを有する。
【0008】本発明の好ましい実施例によれば、コモン
・モード電圧VCMは、ブリッジ電圧出力接続INP、I
NM間に接続された回路部13を使用して得られる。以
下で詳細に説明するように、電圧VCM はA*INP
(1−A)*INM に等しい。回路部13は、抵抗R1
1、R12及びR13から作成された第1のDACを備
えている。故障窓センタリング電圧C*BRG は、抵抗
R8、R9及びR10から作成された第2のDAC形式
にある回路部14を使用して得られ、また故障パラメー
タ窓幅パラメータW*BRG は、抵抗R5、R6及びR
7から作成された第3のDAC形式にある回路部15を
使用して得られる。A、C及びWの値は、不揮発性メモ
リ16に記憶されている。回路部13、14及び15の
出力は、故障状態のステータス状態表示を得るために、
以下で説明する窓比較器18に接続されている。
【0009】フル・ブリッジ出力電圧VINP 、VINM
線形な組み合わせに等しくてフル・ブリッジに印加され
る刺激に対して非応答的又は不感知となるように、まず
コモン・モード電圧VCMを調整することにより故障検出
システムは校正される(即ち、VCM ={AVINP
(1−A)VINM }、ただし、0<A<1、及びVCM
f(刺激))。2つのハーフ・ブリッジの刺激感度を完
全に整合すると、2つのハーフ・ブリッジ出力の平均に
等しくなるコモン・モード電圧(即ち、VCM=(VINP
+VINM )/2;A=0.50)に帰結する。
【0010】ブリッジ電源電圧VBRGに比例した故障窓
センタリング電圧C*BRG は、コモン・モード電圧の
トリミングに続いてコモン・モード電圧Vcm にほぼ等
しくなるように調整される。
【0011】故障窓幅パラメータW*BRGは、ブリッジ
電源電圧の既知部分(fraction)に等しくなる
ように調整される。代わりに、所望により、故障窓幅パ
ラメータは、フル・スケール出力の既知部分に等しくな
るように作成されてもよい。窓幅パラメータWは、典型
的には、故障検出機能を最大化するために可能な限り小
さくなるように調整される。時間、温度等について偽故
障の報告を避けるために、窓幅パラメータの下限は、校
正誤差及びドリフトのようなASICの影響に加え、セ
ンサの校正中に補償されないコモン・モード電圧におけ
る予測変動よりも、十分に大きくなるように選択され
る。
【0012】熱補償を必要とする校正調整は、多数の温
度点で校正処理を反復して線形及び高次(オーダ)の熱
係数の補償を設定することを含む。調整可能な全てのパ
ラメータは、不揮発メモリ16に記憶される。熱補償を
必要とするセンサは、図2aに示すように、ASIC1
0上の従来の温度基準(例えば、帯域ギャップ基準電圧
に関連した信号)から、又はセンサ素子温度に関連する
信号により、温度信号を導き出してもよい。センサ素子
の温度に関連した信号を得る一つの方法は、図3a又は
3bに示すように、センサ素子を駆動し、かつ温度信号
のようにセンサ・ブリッジの温度依存性のために、V
BRG における温度変動を利用する。図3aに示すよう
に、主としてフル・ブリッジ抵抗における抵抗変化のた
めに、フル・ブリッジ抵抗がブリッジ電圧VBRGに温度
による変動を発生させるよりも、かなり低い熱変動を有
する直列抵抗RSERIES を設ける。同様に、図3bに示
すように、主としてフル・ブリッジ抵抗の熱変動のため
に、フル・ブリッジ抵抗がブリッジ電圧VBRGに温度に
よる変動を発生させるよりも、かなり低い熱変動を有す
る電流源ISOUCEを設ける。しかしながら、図3a及び
3bに示すブリッジ電力供給技術は、センサ素子12の
信号をVBRG /VPRW比によって低下させる。センサ素
子から温度信号を導き出さない実施例では、図3に示す
ブリッジ給電技術を利用してセンサ信号を最大化するこ
とにより、必要とするASICのゲインを低下させても
よい。
【0013】以上で述べたように、本発明の好ましい実
施例により作成された校正された故障検出システムの動
作において、2つブリッジ・ハーフのコモン・モード電
圧は、ブリッジ出力ノード間に直列接続された調整可能
な抵抗分圧器のタップ、即ち第1のポテンショメータD
AC出力を備えた回路部13から得られる。出力VCM
{A*INP +(1−A)*INM }を有する第1のDA
Cにおける設定Aは、フル・ブリッジが印加された刺激
に不感知となるように、コモン・モード電圧が選択され
る。ブリッジ電圧VBRGとアナログ接地VRTN との間に
接続された第2のDACを備えた回路部14は、故障窓
を中心に置くように、かつVC〜VCMの関係を満足する
ように調整される。ブリッジ電圧とアナログ接地との間
に接続された第3のDACを備えた回路部15は、半分
の故障窓幅を発生するように設定される。次いで、パラ
メータW*BRG は、第1の加算回路SUM1において
*BRG に加算されて、続いて第1の比較器Q1の正
入力に入力され、また第2の加算回路SUM2において
*BRG から引き算をし、続いて第2の比較器Q2の
負入力に入力される。比較器Q1及びQ2の出力は、デ
ィジタル・ロジックのORゲートQ3の入力に接続され
ており、従ってコモン・モード電圧が(C−W)*REG
〜(C+W)*REG により仕切られた窓の外側にある
ときは、ORゲートQ3のロジック“1”出力により故
障が表示される。ORゲートQ3の出力は、故障状態の
ステータス状態を反映しており、従ってユーザは、セン
サ素子又はそのASICに対する接続機能の誤動作につ
いて警告される。
【0014】以上の実施例は、ブリッジのコモン・モー
ド電圧の刺激、時間及び温度変動に影響するブリッジ・
パラメータを慎重に制御又は選別(スクリーニング)し
てコモン・モード故障パラメータに対する一定のASI
C調整を削除することにより、更に簡単化されてもよ
い。例えば、コモン・モード電圧を発生するために使用
される回路部13の抵抗性DACは、2つのハーフ・ブ
リッジの刺激感度が非常に良く一致するのであれば、ブ
リッジ出力間が一対の等値抵抗(図示なし)により置換
されてもよい。
【0015】代わって、図2bに示すように、回路部1
3は、比較器Q4に接続された第1及び第2の容量性D
AC C11、C12を備えて、コモン・モード電圧V
CMを得るようにされてもよい。
【0016】図2aを参照すると、変更した実施例が温
度調節(コンディショニング)回路20により得られる
熱補償を備えている。ここで、Aは次式に等しい。
【0017】
【数1】
【0018】不揮発メモリ16は、温度調節回路20と
相互接続されたポートn−A0、A1、A2、・・・A
n;m−C0、C1、C2、・・・Cm;p−W0、W
1、W2、・・・Wpを有する。窓センタリング電圧に
対する熱補償は、温度によるコモン・モード電圧に影響
するセンサ素子パラメータを慎重に制御することにより
省略されてもよい。
【0019】以上で説明したように、ブリッジ電源電圧
比を使用して中心電圧及び窓値を得たが、フル・スケー
ル範囲から窓幅値を導き出すことは、本発明の範囲内に
ある。従って、窓幅電圧は、ASICゲインに逆比例し
ていてもよい。センサの校正中は、窓幅パラメータ用の
熱補償係数をセンサの刺激ゲイン熱補償係数に機能的に
関連させてもよく、これによって、定義した温度範囲で
フル・スケール出力の既知部分(フラクション)により
与えられた窓設定を得る。
【0020】他の変形実施例では、フル・ブリッジ出力
及び電源電圧に関連したディジタル・アナログ信号を利
用することができる。次いで、ディジタル・データを評
価してフル・ブリッジのコモン・モード電圧における変
化により発生した故障状態の存在を判断する。図2cを
参照すると、調節回路22、及びブリッジ電圧VBRG
コモンとの間に接続されたアナログ・ディジタル変換器
24は、ブリッジ電圧VBRGに接続され、かつディジタ
ル信号をXに供給し、これがマイクロコントローラ34
に入力される。調節回路26、及びブリッジ電圧VBRG
とコモンとの間に接続されたアナログ・ディジタル変換
器28は、ブリッジ電圧VINPに接続され、かつディジ
タル信号をYに供給し、これがマイクロコントローラ3
4に入力される。同様に、調節回路30、及びブリッジ
電圧VBRG とコモンとの間に接続されたアナログ・ディ
ジタル変換器32は、ブリッジ電圧VINPに接続され、
かつディジタル信号をZに供給し、これがマイクロコン
トローラ34に入力される。マイクロコントローラ34
は、不揮発メモリ16からの値n−A0、A1、A2、
・・・An;m−C0、C1、C2、・・・Cm;p−
W0、W1、W2、・・・Wpと共に、X、Y及びZか
らの入力に基づき、下記に従って計算を実行する。
【0021】
【数2】
【0022】図2bに示すように、本発明の範囲内で、
容量性分圧器及び容量性DACを使用してフル・ブリッ
ジ電圧に関連した必要信号を発生することができる。一
対の容量性DACを使用してVCM 信号の発生を得る1
方法は、以下のようなハードウェア及びクロッキングを
備えている。即ち、クロック信号θ1により一対のスイ
ッチS1及びS2を同時に閉じる一方、スイッチS3及
びS4を開放して調整可能なコンデンサC11及びC1
2にブリッジ出力電圧VINP及びVINM をそれぞれ記憶
する。調整可能なコンデンサC11及びC12上に電圧
を設定することに続いて、クロック位相θ1がブリッジ
とコンデンサとの間のスイッチS1及びS2を開放し、
短い期間後にクロック信号θ2が一対のスイッチS3及
びS4を同時に閉じてバッファ・フィードバック構成に
あるコンデンサC13及び増幅器Q4により与えられた
サンプル・ホールド回路にVCM を記憶する。調整可能
なコンデンサC11及びC12に対してコンデンサ13
の値は、回路の応答時間に影響する。調整可能なコンデ
ンサC11及びC12は、ブリッジに印加される刺激に
対して不感知なVCMを発生するように調整される必要が
ある。所望により、コンデンサC11又はC12のうち
の一つのみが所要VCMトリミングに対応するように調整
可能にされる必要がある。更に、増幅器Q4にゲイン1
以外(ノン−ユニティ・ゲイン)を適用することは、明
らかであり、本発明の範囲内にある。
【0023】本発明を説明するために本発明の特定の一
実施例を説明したが、本発明は、付記する請求の範囲内
に入る開示した一実施例の全ての変形及び等価物を含む
ことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明により作成された回路を実施したフル・
ホイートストン・ブリッジ・センサ素子及びASICの
概要図。
【図2】コモン・モード電圧、窓センタリング電圧及び
窓幅電圧を供給する回路部及び窓比較器回路を示した図
1のASICにおけるコモン・モード故障検出回路部の
概要図である。
【図2a】コモン・モード電圧、窓センタリング電圧及
び窓幅電圧に対する温度補償回路を含む図2の構造の変
形概要図である。
【図2b】コモン・モード電圧を得る容量性DACを使
用する本発明の他の実施例を示した図2のコモン・モー
ド故障検出回路部におけるコモン・モード電圧回路部の
概要図である。
【図2c】ディジタル領域において計算を実行するため
にアナログ・ディジタル変換器を実施した変更実施例の
図2aと同様の概要図である。
【図3】電圧源としてフル・ブリッジ・センサ素子電源
を示した図1のASIC部分の概要図である。
【図3a】電圧源及び直列抵抗としてフル・ブリッジ・
センサ素子電源を示した図3と同様の概要図である。
【図3b】電流源としてフル・ブリッジ・センサ素子電
源を示した図3と同様の概要図である。
【符号の説明】
R1、R2、R3、R4 ピエゾ抵抗素子 10 ASIC(特定用途向け集積回路) 12 センサ素子 13、14、15 回路部 16 不揮発メモリ 18 窓比較器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デビッド エル、コーカム アメリカ合衆国 マサチューセッツ、アト ルボロ、 ウィルマース ストリート 407 (72)発明者 トマス アール、マハー アメリカ合衆国 マサチューセッツ、ルホ ボス、 メイプル レーン 25

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フル・ホイートストン・ブリッジ出力ノ
    ード間に接続されて刺激に対して不感知なコモン・モー
    ド電圧信号を得る回路と、所定の電圧窓を設ける回路
    と、前記コモン・モード電圧を電圧窓と比較してセンサ
    故障状態を判断する回路とを含むフル・ホイートストン
    ・ブリッジ用故障検出装置。
  2. 【請求項2】 前記コモン・モード電圧を発生する前記
    回路は、調整可能である請求項1記載の故障検出装置。
  3. 【請求項3】 前記コモン・モード電圧を発生する前記
    回路は、ポテンショメータ抵抗ストリングを含む請求項
    2記載の故障検出装置。
  4. 【請求項4】 前記コモン・モード電圧を発生する前記
    回路は、少なくとも1つの容量性DACを含む請求項2
    記載の故障検出装置。
  5. 【請求項5】 前記電圧窓は、窓センタリング電圧から
    窓幅電圧を加算及び減算する回路により定義され、前記
    窓センタリング電圧及び前記窓幅電圧は、ブリッジ電源
    電圧に比例している請求項1記載の故障検出装置。
  6. 【請求項6】 温度補償するように前記窓センタリング
    電圧を調整する回路を更に備えた請求項5記載の故障検
    出装置。
  7. 【請求項7】 温度補償するように前記窓幅電圧を調整
    する回路を更に備えた請求項5記載の故障検出装置。
  8. 【請求項8】 前記窓幅電圧は、前記フル・スケール信
    号に比例している請求項5記載の故障検出装置。
  9. 【請求項9】 前記コモン・モード電圧信号は、アナロ
    グ信号であり、前記アナログ信号及び窓パラメータをデ
    ィジタル化し、かつディジタル領域において前記コモン
    ・モード電圧及び窓パラメータのディジタル値について
    計算して故障状態を判断する回路を更に備えた請求項1
    記載の故障検出装置。
  10. 【請求項10】 前記フル・ホイートストン・ブリッジ
    は、ピエゾ抵抗素子を備えた請求項1記載の故障検出装
    置。
  11. 【請求項11】 ブリッジ出力を持つフル・ホイートス
    トン・ブリッジのセンサ素子及びこれに対する接続の故
    障を監視する方法であって、 前記センサ素子を電源により付勢するステップと、 前記フル・ホイートストン・ブリッジのセンサ素子出力
    間の回路を調整して、前記ブリッジの出力電圧の線形的
    組み合わせに等しく、かつセンサ校正中に刺激に対して
    不感知なコモン・モード電圧を発生するステップと、 前記コモン・モード電圧を設定するためにメモリに前記
    調整した回路パラメータを記憶するステップと、 前記コモン・モード電圧を故障窓と比較するステップ
    と、 前記コモン・モード電圧が前記故障窓を超えたときに故
    障表示を設定するステップとを備えた、故障監視方法。
  12. 【請求項12】 前記ブリッジの電源電圧に比例してい
    る窓センタリング電圧及び窓幅電圧により定義された電
    圧レンジにより前記故障窓は、定義されている請求項1
    1記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記窓センタリング電圧は、センサ校
    正時に前記コモン・モード電圧に等しい請求項12記載
    の方法。
  14. 【請求項14】 前記コモン・モード電圧は、前記ブリ
    ッジの出力電圧間の平均に等しく固定されている請求項
    11記載の方法。
  15. 【請求項15】 前記故障窓は、(前記窓センタリング
    電圧−前記窓幅電圧)の値から(前記窓センタリング電
    圧+前記窓幅電圧)の値までの間で定義される請求項1
    2記載の方法。
  16. 【請求項16】 前記窓幅電圧は、前記フル・ホイート
    ストン・ブリッジのフル・スケール出力に比例している
    請求項12記載の方法。
  17. 【請求項17】 前記ブリッジ・センサ素子は、電圧源
    により給電される請求項11記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記ブリッジ・センサ素子は、直列抵
    抗を介して電圧源により給電される請求項11記載の方
    法。
  19. 【請求項19】 前記ブリッジ・センサ素子は、電流源
    により給電される請求項11記載の方法。
JP2000385537A 1999-12-20 2000-12-19 状態応答センサのレンジ内故障検出方法及び装置 Pending JP2001208625A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US468260 1999-12-20
US09/468,260 US6433554B1 (en) 1999-12-20 1999-12-20 Method and apparatus for in-range fault detection of condition responsive sensor

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